（机械制造及其自动化专业论文）旋涡气流光整加工实验设备设计及工艺研究.pdf

奎堕堡! ：叁堂堡竺塞生堂堡迨塞! 兰：曼星量 旋涡气流光整加工实验设备设计及工艺研究 摘要 ( 本课题是国家和省自然科学堆金项目+ ，旨在研究丁r 发种新型 的旋涡气流光整加工设备与一j ：岂，以解决翻附内孔表面光接加：o l 的一些难题。其基本原理是以近声速旋转的旋涡气流为载体，带动 磨具( 球形磨具、钢球等) 紧贴l ：纠：内表而进行高速螺旋运动，迫 和运动学特性，提出了设备设计需解决的问题，研制了一种参数可 调、工件气动夹紧、加工过程自动控制的实验设备。在此基础上， 进行了一些初步工艺实验，探讨了一些参数对加工效果的影响关系。 ， 冬而为进一步工艺实验提供了性能良好、使用方便的实验设备，为 进一步工艺实验提供 些有益的资料渤 关键词：光整笳t 了一些有用的数据。为今后推广应用积累了一 + 同家自然科学堆余项h ( 编吁：5 9 8 7 5 0 6 3 山西省自然科学桀会项日( 编吁：9 8 1 0 4 6 ) 进求 ，艺性面要论工特表日理工学 腔项态加力 内照形整 、 件按构光件 工 。结流条对工艺气成，加工涡形 f整造旋的用光制讨流作等械探气 的化机 ，涡力强以点旋 进而 ：特究雉表是艺研旋和容丁过螺度内的通 和糙要工 ； 力粗主加固 心面的整范 离表究光用 的化妍面应大细。者表和 强 、笔内理 在刺 ，类机 具毛度各工 磨去进析加使行和分的 汉面表 坼c 壬船墼 蚍爷 滩加奎糙加的整内光圈流范气度涡平旋不面流表气于涡限 太原理i ：人一顺【：t i j r 究生学位沦文 t h e e x p e r i m e n te q u i p m e n td e s i g na n d p r o c e s ss t u d y o nt h es w i r l i n ga i rs t r e a mf i n i s h i n g a b s t r a c t t h er e s e a r c hr e p o r ti st h en a t i o n a la n ds h a n x ii o c a ls c i e n c ef u n d p r o j e c t + ，w h i c h i sd e s t i n e dt o s t u d y a n d d e v e l o p an e w t y p e o f e q u i p m e n ta n dt e c h n o l o g yn a m e ds w i r l i n ga i rs t r e a mf i n i s h i n gp r o c e s s t h en e we q u i p m e n ta n dp r o c e s sc a nr e s o l v es o m ed i f f i c u l t i e so ft h e h o l ef i n i s h i n gu pt on o w t h eg r i n d e r s ( r o u n dg r i n d e ro rs t e e l b a l l ) ， p r o p e l l e db yt h es u b s o n i cs w i r l i n ga i rs t r e a m ，m o v es p i r a l l yc l i n c h i n g t ot h eh o l es u r f a c ei nh i g hs p e e d ，w h i c hc a nm a k ed e b u r r i n g ，f i n i s h a n di n t e n s i f yt h eh o l es u r f a c ew i t ht h em i g h t yc e n t r i f u g a lf o r c ea n d s p i r a lp r o p e l l i n gf o r c e a c c o r d i n gt o t h er e s e a r c hp r o j e c t ，m ys t u d i e s c o n c e n t r a t et ot h e f o l l o w i n gr e s e a r c h e s ：a n a l y z i n g t h et e c h n i c a l c h a r a c t e r so fs e v e r a lh o l e f i n i s h i n gp r o c e s s e sb y c o n f o r m a t i o na n d c o n f i g u r a t i o nt h e o r y f o rm a c h i n e m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，p r o b e i n t ot h em e c h a n i s ma n dt h e a p p l y i n gr a n g eo ft h e n e ws w i r l i n ga i r s t r e a mf i n i s h i n gp r o c e s s ，t h r o u g ht h es t u d yo ft h ef o r m i n gf a c t o r s ， d y n a m i c s a n dk i n e m i c sc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s w i r l i n g a i rs t e a m s e t t i n gf o r t ht h ep r o b l e m sn e e d e dt os o l v e di ne q u i p m e n td e s i g n ，a n d d e v e l o p i n g as e to fe x p e r i m e n te q u i p m e n t sw h i c hc a nm o d u l a t et h e p a r a m e t e r s ，c l a m p t h ew o r k p i e c eb y a i r o p e r a t i n g ，a n dp r o c e s s a u t o m a t i c a l l y o n t h i s b a s i s ，w e h a v ec a r r i e do u ts o m e e l e m e n t a r y 太原理1 人学硕i ：研究生学位论文 p r o c e s s i n ge x p e r i m e n t s ，a n d d i s c u s s e ds o m ei m p a c t i n g r e l a t i o n s h i p s o ft h ep a r a m e t e r st oe f f e c t s o 九rl a t e rs t u d ya n dg e n e r a l i z e w eh a v e c o n t r i b u t e das e to ff i n ea n dc o n v e n i e n c e e x p e r i m e n te q u i p m e n t ， p r o v i d e ds o m eu s e f u le x p e r i m e n td a t a ，a n da c c u m u l a t e ds o m eh e l p f u l m a t e r i a l s k e y w or d ：f i n i s hc o n i o r m a t i o na n dc o n n g u r a t i o nr i h e o r yf o r m a c h i n em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yp r e c i s i o nh o l e s u r f a c e s w i r l i n g a i rs t r e a m s w i r l i n g a i r s t r e a m f i n i s h i n g h o l es u r f a c e f i n i s h i n g w i t h d i f f i c u l t f i n i s h i n gm e r e l y c o n f i n e dt os u r f a c e r o u g h n e s s 太原理1 ：人学坝i ：研究生学位论文 第一章引论 第一节光整加 j 技术概述 一光整加工技术 在机械加工中，旨在以提高零件表面质量为目的的各种加工 方法和技术，称为表而光整加j f ：技术，简称光整技术，其目的是 进一步提高零件表面的几何特征和改善零件表面层材料的性能。 光整技术分为毛坯表面光整加工和精密表面光整加工两类。毛 坯表面光整加工，是以保证毛坯零件表面质量为目的的技术。精密 表面光整加工技术是零件经【；i j i i i j 加工厉，进行棱边倒圆、去除毛刺、 消除微观裂纹、细化表丽羊| i 糙度、改善物理力学性能的技术。我们 的大量工作都集中于精密表而f n 比整加j i ：技术。 二光整加工技术分类 为了保证和提高零件的表而质量，采用光整加工方法作为零什 的终加工工序是十分有效的措施。按光整加工的主要功能来分，可 分为下丽三大类： 1 以降低零件表面孝 i 糙皮值为主要目的，如光整磨削、研磨、 珩磨和抛光等。 2 以改善零件表面物理力学性能为主要目的，如液压、喷丸强 化、会刚石压光和挤孔等。 3 以去除毛刺、飞边、棱边倒圆为1 i 要i = _ l 的，如喷砂、高温爆 炸、滚磨、动力刷加工等。 查坚些! 查：兰丝! ：坐! ! 竺兰| 三垡堕兰 若按加工时能量提供方法来分，有机械法、化学和电化学法、 热能作用等儿大类约2 0 彩利。 三光整加工技术的特点 以提高零件表面质量为+ n 的) 匕整加i ：技术有以f 主要特点。 1 光整加工的加工余量小，坞i 则i 二只是河道工序公差带宽度的 几分之一。很多情况下，要求j l 哑辨表而质最( 降低零件表而 h 糙度， 消除微观缺陷，去除毛刺等) ，m 小影响_ l j i ii ：精度。如果余量太人， 刁i 仪生j “：效率低，仃时还i l j + 能吁敛i ：州：的原订精度r 降。 2 机械法光整加工所用机床设备不需要很精确的成形运动，但 磨具与工件之间的相对运动j 、v 尽最复杂。因为光整加工是用细粒度 的磨料刘1 件表面进行微聚剀i l j l j 刷挤j k 、划擦的过襁，只要保证磨 具与工件待加工表面有较多的随机性接触，就能使表面误差逐步均 化，直到最终消除，从而获得很高的表面质量。 3 自山磨具光箍加扎腑j t 相对于一| 二件没有确定的位置，一 般1 i 能依靠光整加一l ：来修j i i 零f ，| ：农而的形状和位置误差。 第二节自由磨具光整加工技术 在机械法光整加工中，按照磨料或磨具在加工过程中所处状态的 不同，可分为非自由磨具光整加工和自由磨具光整加工两大类。 磨具的构成形式多种多样，如砂轮、磨具等，其基本功能是直 接接触工件完成光整加工。麝具。卜要山磨削工作体和载体组成。 一自由磨具光整加工的基本概念 1 非自由磨具光整加： 磨料或磨具始终与工件保持确定的相剥位置，以确定的切削参 太原理t 人学f # ! i 。 i j 究生学位论义 数实现对工件表面的光携_ l j l l ：1 j ，称为非自f l - i 磨具光整加工。如砂轮 对工件表面的光整磨削加工。 2 自由磨具光整加工 磨料或磨具始终与工件没柯确定的相对位置，加工中处于相对 游离状念，但仍以一定的川刈述度和作用压力实现对丁件表而的光 整加工，称为自由磨具光整加l ：。如磨具对工件表面的滚磨加工。 在自由磨具光整加工中，自山磨具总是通过某种运动方式，以 一定作用爪力，随机地对j r ：什表m 进行挤爪、刻划和微最切削，来 实现光整加工。这种加工方法小同于非自由磨具的砂轮对工件表面 的磨削，砂轮在磨削时，固定在砂轮表面上的磨粒具有相对固定不 变的切削参数：并且可以直接改变加工表面的尺寸精度、几何精度。 属二j ：自t 1 1 磨典光整力：j ：力法的有研磨、滚磨、磁磨、挤压珩磨、 旋涡气流光整加： 等。山于1 艺方法不同，相应磨具的构成形式、 作用方式、加工状态均有冠酱1 i 川，w 此祚叻l 工机雕、l 艺参数、 工艺特点等方而也各有独特之处。 尽管自i j - i 臃距光整加f 技术发胜迅迷，种类繁多，但其存加一f ： 过程中，磨具都必须按照某运z 以疗式对：【件表而施加一定的作用 压力和形成定的相对速度，以实现列加：i ：农而的挤压、刻划和微 量切削从而达到提高工件表而质量的目的。 二自由磨具光整加工的主要功能 】去除棱边毛刺、棱边光滑倒圆、改善零件表面棱边质量。 这类加工主要是指去除棱边的毛刺、飞边，使棱边具有良好的 质量，以保证表面与表面之问的光滑过渡和光滑衔接，以提高零件 的装配工艺性，从而有利于实现零件在装配中的自动化作业。 2 细化零件表丽粗糙度，提高和改善零件表面质量。 查堕些l ：生竺螋! ：塑! ! 生：量些堕兰 府具以一定的一i ：作爪力，奂眦挤j k 、刻划和微最麝削作用，去 除锻铸件、冲压件表丽氧化胺、热处瑚后表丽氧化膜，以及切削加 工表面的磕碰、划痕、微观裂纹等表面缺陷，有效地细化和减小表 面粗糙度值，从而提高零件表质量。 通过这样的加：亡，使具有帔配关系的符零什表而具有更好的配 合性、密封性、电热传导性和力1 递性。经过这一光整加工过程， 有效地缩短了整机装配后零件的初期磨损阶段。 3 提高零件表面物理力学r ：能，改善零件表面应力分竹状态。 磨具对零件表面就兼有挤，、滑擦和撞击作用，从而能够有效 地改善零件表面应力状念的分们i ，提商表面物理力学性能，最终达 到提高零件本身和产品整机的使用寿命。 4 改蘅或改变零什表而n q 也泽、光亮度，提高零什本身的清洁 程度。 借助于磨具的切削加工和表而化学作用，改变表面色泽，提高表 面光亮和光洁程度。这类光整加：i ：效果主要与工件材质、表面状况、 磨具材料和磨剂的化学特性有瓿接关系。通过球形磨具的挤压、微量 切削和磨剂与工什表面的化学反j 衄等综合加l ：效果，可以使零件表面 改变色泽，表面光亮，零件整体表面清沽。通常零件的镀前处理、需 要进行光泽处理的零件的最终_ f j i l l ：，人匍5 采用这类光整加工方法。 三自由磨具光整加工的主要特点 1 保持零件原有的尺寸精度、形状精度，重在提高表面质量。 在不破坏上道工序加： 的尺- j 精度、形状精度的前提下，自由磨 具光整加二i ：以提高零件表而质i e 为：i 三要目的，如表而色泽、表而光 洁、表面 n 糙度、表面硬度、表l 1 应力分们状态以及棱边无毛刺等。 2 磨料借助于某种形式的载体实现对工件表面的加工。 奎堡型! ：墨：兰型f ! 型塑竺堂丝笙兰 参与加工的磨料必须借助j ：种气态、液念或固态形式的工作 载体构成磨具，并且通过这种磨儿以。定桐刘运动方式及一定工作 压力随机地完成挤压、刻划驯微最切削加工。 3 光整加工设备简单，通常不要求有较高精度，设备成本低。 同切削：f l | ：机床扪比，i 1i i i 腓具光整加工设备不必具有较高的运 动精度。这是因为在加工过程r i ，只要求使磨具与工件表面有尽可能 复杂的相对运动，以使工件与麝具的接触频率和相互压力得以增加。 4 光整加工配套的附属裟多，非标设讣多。 在加工过程中，由于磨具删牌剂，以及工作载体( 气体、液体、 固体) 的共同参与，因此光整加t 设备还需配套各种各样的附属装置。 如筛选装置、分离装置、清沈装胃、烘干装置以及自动装卸料装置， 这些装黉的设计往往出于光整加。j ：工艺方法的不同而相差很大。 第三节机械制造。f ：艺结构形态理论 在机械产品的生产过程q 要采用不同的制造工艺方法。这些方法 利用各种不同的机理使加工刘缘( 原材料、毛坯、半成品) 产生形态( 尺 寸、几何形状、性质) 的转变。根据工艺过程形态学理论，任何一 种制造工艺方法的工艺过程都是个系统，有不同的物料、能量、 信息的输入与输出。制造： 艺 ；! | 】：在信息流的控制下，使用不同的 能量流，使物料流动，形成物料流，得到成品的过程。 一物料流 物料流是指被加工的材料( 物料) 经过_ l j l 工工艺过程，而逐步 形成成品( 新的物料状态) f i ，j 过程。它包括：流程类型、原材料状 太原删f 人学坝f j 州究生学位论艾 态、变化过程。 1 流程类型 根据在工艺过程f | f 原来物利。j 加卜厉的物料在雨蹙方而有无变 化，分为三种类型：贯通流程，也可称为无屑工艺。发散流程， 也可称为有屑工艺。收敛过程，指装配或连接过程。 2 原材料状态 需要加工的物料状态为j 州念，液念一如铸造用的熔化会属，颗 粒状态一如粉术冶金、塑料的原料，气态如蒸镀( 真空内) 会属： 加工复合材料时可能有不同的物利状态( 如颗粒状、纤维状、连贯状 态) 。物料的状态不同，采用的：r 艺过程类型会大不相同；材料的成 分、物理机械性能等对制造r 艺也有重大影向。 3 变化过程 使物料产生形态、性质变化的过程有三种主要类型：机械过程、 热过程和化学过程。这是根据在：l ：艺过程中对物料产生作用的性质来 区分的。而这三种过程还可进步细分成各种具体的过程。 二能量流 为实现物料的变化过程，必须通过传递介质向工件材料提供能 量。能量流是向被加二i ：工件所挺1 j i 的能星种类及传递介质。 提供能量的系统可以分为叫个予系统：设备系统与刀具模具 系统。由设备系统决定提供的能 最特点和所用能量的类型：刀具 模具系统则是将前者的能量直接提供给工件材料或传递介质，以实 现物料的变化。 实现 ：艺过程的能源有机械能、r 乜能、化学能、热能、光能和 磁能。这吲能源刘物料作川，“，i - 机械过程、热过程和化学过程三类 物料变化过程。 查璺! 墨! ：叁鲎竺! ：型壅生堂垡堕苎 三信息流 它是指形状和性能信息f 柚被j f | 丁物料的传递过程。信息传递方 法与物料流和能量流密切有天。信息流f 门载休是传递介质( 被加工 工件本身特性、刀具、磨具) f 1 _ ，f ；状、特性以及传递介质和物料的 运动形式。信息流的传递力j ( 成j 性办洲i ) 7 r 叫种： ( 1 ) 整体成型：如模锻； ( 2 ) 一维成型：如锻压： ( 3 ) 二维成型：封憎啪目； ( 4 )白山成型：蜘i 馓辅i 。 四机械制造工艺结构形态 根据制造工艺方法形态结构蹦论，细化物料流、能量流、信息 流的基本要素，建立模型，用这螳基本要素( 代码p i j ) 的不同组合 来表示不同的工艺过程。基本形态结构要素如表1 1 ： 表卜1 机械制造工艺方法的基本形态结构要素 基本结构形态 。x i234567 物 物料状态 l j 州态液态颗粒气态 料 变化过程 2 机械 执 化学 流稗类刑 3 重鼙亟蹴照鬣 流 不变减少增加 能 能量种类 4 机械化学电热光磁 量 传递介质 5 刚性塑性弹性颗粒 气液真空 传递方法 6 相对压力质簧热传热辐化学 流 运动带 i蛩射诈l l l 信成型方法 7 桔体一维一二维白由 息成刑 成) w成j i ! !成刑 流相对运动 8 不动平移转动复合 任何机械制造工艺过程都可以表示为不同p u 的组合，一个集合 p u ) 就代表一类加工工艺；进一步细化某一个p u ，就可以比较同一 类工艺中不同具体工艺的区别j 优劣。并且如果能根据不同的加工 要求，有机地组合 p 。) ，还”j 以l j 弋验、发展新的制造 艺。 一7 - 五各种孔表面光整加工方法机理简述 精密孔表面加工方法已发展了多年，各种加工方法加工机理不 同、使用的设备各异、适用范j i 也不尽致，月前较常用的一些加 工方法的加工机理如下表1 2 所，j ：。 表卜2 各种孔表面光整加工方法机理 加- i ：【艺加i ：机理简述 滚压j 滚压头利用滚压元仆向孔艟施加压力，利用孔的塑性变形，毛 加一i ：l 挤光球刺以及孔表j 的1 i 、r 度波峰被压s p ，不甲度波谷被抬高 使川锋利的川州啊削掉很小的加i ：余毋，来获得优良 单刃铰刀 的表面质龄，导向条同时起剑熨压的作川 机床超研磨头( 精密汕i ) 做振幅为o 5 。3 m m 的高频振动， 研精研磨加工余量为5 3 0ui n 孔超声振由超声振动_ 5 f 带动研磨杆高频( 如2 0 k h z ) 共振，振 动研孔幅晟火为5um ，加i ：的同时能将球形磨具均匀粉碎 台订脚 ：i f i 4 j 1 1 l i 价质m 孔内砭高爪挤爪流动球形府 挤压珩磨加j贝将7 l 避上的己刺和1 ；| ，度f 岳峰磨掉，弗能对孔边缘 倒角 柔性 挠忡磨孔刷毛顶端带有球形磨贝的圆卡 ：形毛刷，旋转加l 加i ：柔件塑料高分子材料做成的条状磨月，粘结在珩磨头沙条架上 在磁场中将磁r i ：孵料黼- j ：研磨朴与孔蛙之间，磁场与 磁性加l 。 i 什相对运动i l l 】，磁性磨料即可进行抛光加l ： 在i 也解液巾，以i 什作为日i 极，使j l j 特定形状的阴极 电化学加【： 接近丁l ：什需之除毛刺处，将毛刺溶解到电解液中 i ：仆置r 密闭充有可引爆的气体的容器中，极短时间 热能加l ： 内爆炸的热城将突起部位( 毛刺、b 边) 烧掉 商速旋转气体带动球形磨尺将孔罐的毛刺、不平度高 旋涡气流加i ： 峰磨掉。将球形腓具换成钢球可对孔艟进行熨压 六各种光整加工方法形态结构分析 在精密孔的加工工艺分析巾，运用结构形态理论，如表1 3 所 示，对各种孔的加工方法进行横向比较，找出其优缺点与空白点， 以期能预测、分析一种新。i = 艺的适用性，在大规模实验前尽可能使 理论设计与f l 后使膈的实际情况接近。 从表1 3 中所列各项，对应表1 1 可以看出不同具体工艺的大 致区别。但因为是加工目的相同的同一类工艺，还有必要进一步应 查垦些! ! 叁竺塑! 业塑芝兰些堕苎 用机械加工 ：艺的形态 i 构川! 沦，剥我们最关心的形念结构的儿个 参数进行细分，使不同r 艺们，i = ! i j | jh 了然。 表卜3 各种光整加工方法形态结构分析 物荆流 能最流信息流 物变拍能传 传成相 卡：|化w i ： 递递刑对 加 f ：i 2 状过类剃，介 i i j 垒 态l 擎j 类质法法 动 滚压滚压头p i ip 2 i p 3 ip d lp 5 ip 6 i p 7 3p s 4 加工挤光球pj jn jp 3 ip 4jp 5jp 6 i p 7 2p 8 2 单刃铰刀p i ip 2 ip 3 2p 4 l p 5 ip 6 lp 7 3p s 4 机床超精研磨 p i ip 2 i p 1 2p 4 ip 5 tp 6 fp ? 3p 8 4 研7 l 超卢振动研孔p l i p 2 ih2p d lp s i p 6 i p 7 3p 8 4 挤压珩磨加i ：p i fp 2 fj ，2n f 2p 6 fp7 4 p 8 2 柔性挠性磨 lp i i p 2 ip 3 2p 4 i p 5 3p 6 l p 7 2p s 3 加一f柔性塑料p i lp 2 ip 3 2 p 4 lp 5 3p 6 ip 7 2p s 2 磁性加工p i ip 2 i p 3 2p 4 6p 5 4p 6 ip 7 3p s 4 屯化学加：lp i ip 2 3n2p 4 3p 5 6p 6 6p 7 4 p s l 热能加j i ：p i ip 22 p 32p 4 4 p 5 5p 6 4p 7 4p s i 旋涡气流加f ： p n ff 1 2n in ，p 6 ip 7 4p 8 4 七物料流细化分析 】物料状态细化分析 1 ) 物料状态都是同体i ：什( p i1 ) f ：的孔，对物料状态( 孔的 类型) 进行细分，如表1 4 所示。 表卜4 物料( 孔) 的分类 按利料分ai 铸铁2 钢( 软)3 钢( 淬硬)4 锅台金5 竹金属 按孔横截而分1 31 i 划孔 2h q 】圳扎3 方7 l4 异形孔 按孔纵截面分cl 赶孔2 恕n3 变义孔4 台阶孔5 复加孔 按孔人小分d1 人直径j l2 捭通扎3 小直径孔4 微孔 按孔长径比分ei 深孔2 般孔3 短孔 2 ) 表1 - 5 可以看出不同 艺”r 以加1 ：的不同物料状态( 孔类型) 。 2 变化过程、流程类型细化分析( 表卜6 ) ( 1 ) 工艺n 勺变化过程n j 细分为如卜： i 机械过程：l 弹性变形、2 耀性变形、3 ( 毛刺) 脆性断裂、4 9 - 太原耻1 人学坝i ：州究生学位论义 韧性断裂：i i 热过程：l 熔化、2 气化：1 1 1 化学过程：i 溶解 分解、2 燃烧、3 沉积、4 川变。 ( 2 ) 工艺中流程类型_ j 自1 1 分为如f 1 无屑；2 宏观切削：3 微砒圳削( 去除) ( 远大于表面不平度) 、 4 微观切削( 去除) ( 略大于或小j ：表而不平度) 。 表1 5 不同工艺可加工的不同孔类型 物利状态( 孔的类刑) 加f 艺 材料a横械m ib纵截面c人小dk 彳争l ：t e 滚压滚压头l 、2 、4 、5 ll l 、2l 、2 、3 加_ | ：挤光球1 、2 、4 、5 il l 、2l 、2 、3 单刃铰刀 1 、2 、3 11 1 、2l 、2 、3 研i 机床超精研磨 l 、2 、3 ll l 、2l 、2 、3 孔l 超声振动研i l 1 、2 、3 、4 、5 ll l 、2i 、2 挤压珩磨加i ： l 、2 、3 、4 、5l 、2 、3 、4l 、2 、3 、51 、2 、3 、42 、3 柔性挠性磨孔1 、2 、3 、4 、5l 、2l 、31 、21 、2 、3 加l ：柔性塑料l 、2 、3 il 1 、2l 、2 、3 磁性加f ：l 、2 、3 、4 、5 il、4 l 、2l 、2 、3 i 乜化学加i ：l 、2 、3 、4 l 、2 、3 、41 、3 、41 、2l 、2 、3 热能加f ： 】，2 、3 、4l 、2 、3 、41 、2 、3 、4 、5l 、2 、3l 、2 、3 旋涡气流加j ： l 、2 、3 、4 、51 ，2 ，3 4l 、2 、3 ，4 、5 l 、2 ，3 ，4i 、2 、3 表1 - 6 物料变化过程及流程类型分析 变七过t i t流张类幔 加l ： i ： 艺机械热过化学无宏观 微埘切微观切 削( 玄削( 去 过稗釉i过程屑切削 除)除) 滚压滚压头 f 2 加，l ：挤光球 1 2v 单刃铰刀 1 4 研机床超精研磨 f 4 孔超声振动研孔 1 4 、， 挤压珩磨加。i ： 1 4 柔性挠性磨孔1 2 、1 3 加。r柔性塑料 1 4 磁性加上 1 4 电一也学加1 2 1 1 1 l 热能加1 j 1 1 2v 旋涡气流加j ： j 2 、j 3 3 彳 种j 1 ：艺可加j i ：物料? 队念( 孔类型) 分析( 表1 - 5 分析) 查堕些! 尘堂! ! ! ! ! ! ：塑塑兰堂些堡苎 1 ) 利料： 滚爪加t 的变化过程足利j f i 机械变化的弹陀变形，对于能 够发生一定变形量的孔，其j j | i1 效果很好，而对于较硬的物料就 会加工困难或无法加工：铰刀的工作体( 信息传递介质) 是锋 利的铰刀刀刃，变化过程是机械过程的韧性破坏( 切除很小的加 工余量) ，由于积屑瘤的作开 ，难以加工较软的材料；机床超精 研磨的工作体是精密油石，其流程类型是微量切削，较软材料的 极细小切屑会糊塞油石，柔性蚋料也有类似的情况；r u 化学加 工的变化过程是电化学过程，利用余属阳极的电溶解原理去除毛 刺，对于非会属无法1 l | | ：；热能加l ：川1 ：非会属时。1 二材利 的受热变形而有所限制。 以离散球形磨具为工作休( 磨具) 的加工工艺，通过选择相 应的原料来制造磨具，原则f ：可以加一 备类材料。 2 ) 横截面： 能量传递介质( 主要是加i 工具) 的截面为圆形，或信息流 的相对运动为转动的工艺，只能加工圆形孔；成型方法为自山成 型( p 7 4 ) 的加工工艺，可 i li 旧范嘲就得到扩火，挤压珩磨、电 化学、热能、旋涡气流等1 艺均呵加工多种横截面的孔。 不同横截面得到加工的关键是能量流的传递介质( 包括介质 载体和工作体) 必须能到达横截而周线上的各处，磨具必须能够在 一定柔性介质的推动下，以一定爪力接触到孔周线上各点。t 2 ， 3 ) 纵截面： 对于能量传递介质( 力工工具) 有直线旋转轴的加工工艺， 就只能加t 直孔或俞阶孔。 成型方法为自由成型的期i1 i2 艺t 1 1 还要进步分析介质载体 查鉴= ! ! ! ! ! 查型型竺! ! 竺鲎丝堕兰 的形状：挤压珩磨加工难以加i 。台阶孔，仡台阶而i ：粘性磨料介 质无法流动：电化学加一i ：难以枷r 弯折孔和复杂孔，因为特定阴 极的形状很难做得复杂。 加：l 复杂纵截面的孔，天佻存1 ：能景传递介质能沿着孔的复 杂轴线深入孔的内部，自由磨具如果可以在某种介质( 气、液) 的 推动下，进入复杂孔中，就有可能实现复杂7 l 的精密加工。 4 ) 大小 各种工艺可加工孔径的人小受加工工具直径和工作体大小的限 制。以研磨杼、刀打等杆状什为介质载体的工具就不容易做得很 小：电化学加工也由于圳极1 i 能深入到小孔i i ，对一：较小直径的 i l 不能加工：热能加工有可能破坏小孔两端的外缘部分，因为这 里也容易造成热量集中；挤压珩磨可以加工很小的i l 。 小孔加工的主要问题是工作体能否进入孔内，自由磨具光整 加工使用足够小的磨具。就有可能在一定能量传递介质的推动下进 入孑l 内进行加工。“ 5 ) 长径比 挤压珩磨加工由于介质载体的流动性远比气体差，尽管在很 大压力下，由于孑l 壁的摩擦碟，流动距离也不会很大，难以加工 深孔：介质载体的主要部分为悬臂杆状件的工艺，加工深孔也会 受到限制。 而自由磨具加工深孔的关键在于能最传递介质是否会在深孔 处衰减过大。5 ， 4 变化过程、流程类型分丰j i ( 列表l _ 6 的浣明) ： 1 ) 对切削余量的要求和刘孔原有精度的影响 根据流程类型分析，滚压t f j | 工是无屑加工，但它依赖孔的塑 查堕些! 叁堂! 竺! 型! ! i 竺兰堡堡苎 性变形，要留有一定( 相对较火) 的变形余量而且加工后孔壁有 一定程度的弹性网复；竹州铰，j 依带切除很小的加丁余最柬实现 较高的精度；挤爪珩磨加1 i 、川孔、柔竹加j l j 、磁。睫加i ：都足均 匀地从孔表面去除一薄层金崩，汁算尺寸精度时，要考虑到这个影 响；电化学加工的变化过槲足个钊。列孔蹙某一区域毛刺的有选 择的化学过程，不会对孔的梢皮产 l - 影i i 向：热能加工的变化过程 是一个热过程，会使孔的j t ，精度略微变差。 如果孔的原有尺寸精度和化置精度很高，而又需要进步降 低表面粗糙度，能否有这样的i 岂，通过凋糖能量传递介质，或者 对孔只有仅限于表而刁i5 f 度范i q 的切削作川，或者剥孔壁进行适 度熨压，从而对原有各项精度儿乎不产生任何影响。6 ， 2 ) 切屑对磨具等工作体的影响 根据流程类型，使川球形胖 的有屑 l 卜l 二工艺，都存在加i 二i ：后 切屑与球形磨具的分离问题( j g jr ：足切屑与球形磨具粒度接近时) ， 挤压珩磨加工对于这一问题目i 】i 尚无法解决，粘性磨料载体使用 一定次数后就要报废；旋涡气流加工中，出于强大气流的吹动， 磨屑在丌始阶段就会与磨具分离。 八能量流一一传递介质细化分析 传递介质可进一步表述为：介质载体、工作体。介质载体可作为加 工工具的描述；工作体可细分为：宏观固体、颗粒、热能、化学能。 从加工工具( 传递介质与工作休) 的复杂性考虑：滚压头由滚压 杆和滚动体两大部分组成，滚压杆的直线度、滚动体的圆度、数个 滚动体的尺寸的一致性都有很高的精度要求，还要考虑到退刀是否 方便；挤光球是一个硬质合金脒，它的圆度、表面粕糙度都要非 太j 泉理1 人学坝i j 埘 咒生学位论义 常高；单刃铰刀的性能要求是7 j 尖尺寸精度和导向条的分布角度； 研孔要求研磨杆的南线度很高，机床超精研磨要求振动源和进给机 构的径向跳动很小；超声振动研孔需要使用超声发生器；磁性加 工要有专用磁性磨料、根据被加ii ：件外形设汁的l u 磁铁和电流凋：符 装置。以上几利，工艺都要求使川旋转机床。挤压珩磨加工要设计专 用挤压珩磨挤压机床，要用高分予材料配制粘性介质。电化学加工 的工艺设备要求：对不同物料状态设计不同的l 乜解液、制造特定形状 的阴极、在阴极上不参与加上的部位涂覆绝缘漆、使电解液流动以保 证阳极溶解物不会电镀到阴极工作面上。热能加工必须把工件夹 紧，工件在密闭室内会产z l - 届0 烈跳动，加工完成后还要对表而氧化的 工件进行清洗。 表卜7 能量流细化分析 传递介质i ：作体 加r f ：艺 宏观化学 介质载体颗粒热能 嗣体能 滚爪滚爪头滚爪1 头 v 加i ：挤光球挤光球 v 单刃铰刀单刃铰刀 v 研机床超精研磨高频振动研磨油4 i v 孔超声振动研孔超声振动铸铁l i ) f 磨 = f ： 挤压珩磨加1 专川机床及枯性摩 = = | 载体 - 4 柔性挠性磨孔梢部粘结球形j 芋fn 的挠 加i ：性刷 柔性塑料高分子聚合物 v 磁性加i ：导磁旋转研磨榨 也化学加j ：涂有绝缘膜的特定阴极 吖 热能加i ：混合氢氧气体的密封容器 旋涡气流加i ：旋涡气流 v 五物料流新状态( 加工效果) 分析( 见表1 - 8 ) 对孔表面质量( 最终加f ：结果) 的影响程度可分为：a a 明显 改善，a 有所改善，o 保持原状，l 略有下降，l l 明显下降 1 圆度、圆柱度、赢线度 1 4 一 查! 璺些：! ：! ：! 生! ：! 型! ! 竺；：兰! 兰丝兰 介质载体为刚性离杆的j | r e j ：艺，如：滚压头、单刃铰刀、 研孔、柔性塑料、磁性加一r 等，j 0j j 兑型方法一般为二二维成型，对厕 孔的圆度、尉卡_ 1 1 度都有一定稚艘f 1 9 影响，一般而南，是起提高作用； 而成型方法为自山成型的j j i ii i 岂，如：挤压珩磨、电化学、旋 涡气流工艺，虽然可肌- j ：孔的范有所增力，但不能提高圆孔的圆 度和圆柱度，一般而吉+ ，牲本f j 会造成影响。对于热能加工，由 于孔壁材料不可能完全均匀，孔& 而经高温烧灼后很可能发生表 层材料微量不均匀去除，造成孔的圆度稍微彳了一点下降，孔两端边 缘尤其会发生这种情况。旋j f l 5 气流加工在磨具、气流压力等参数 的选取上应注意，使余量去除仪限制在不平度范围内，对孔已有的 尺寸精度、形状精度不造成影响。 表卜8 加工效果比较 表面质最 加l ：，l ：艺圆剧 “线表面相糙 毛 表面硬化 度度皮皮刺 滚压滚压头 aaa aa aa a 加：挤光球 a aooa aa aa a 单刃铰刀 aaaa aa aa 研机床超精研磨 aaaa aa ao 孔超声振动研孔 a aa aa aa aa ao 挤压珩磨加i ： oooa aa ao 柔性挠性磨孔 oooa aa ao 加工柔性塑料 aaaa aa ao 磁性加上 aaaa aa a0 电化学加工 ooooa ao 热能加丁： looaa al 旋涡气流加1 oooa aa aa 2 表面粗糙度、毛刺 各种光整加工方法因主要_ l j l li ：对象不同，可达到的质量有一定 的差异。热能加工，对突起较一：葛的毛刺有明显的作用，特别适合 冲压件、铸件飞边的去除，i | r 热量j 刘+ 突起的尖峰有作用，且去 太原删f 人牛f l ! ；! i ：l o f 究生学位论文 除量是与尖峰高度大致呈订i 比的，尖峰剩余高度不均匀，它对表面 粗糙度的降低作用不象其它一r 艺明屁。电化学加工对表面粗糙度 不能降低，是因为它只能有选择地去除特定部位的毛刺。 旋涡气流加工要注意选择合适的磨具，切实保证能将毛刺和 不平度高峰去除掉。山。j i 毛1 i i j 刷1 i i 度高峰所用切i t i | j 用量不同。还 有必要在工序步骤上进行适当分 。一 3 表面硬化 滚压加工和单刃铰刀都埘孔壁进行挤压，可以使表而硬度有 不同程度的提高。旋涡气流j j i li i i 选j 1 j i 同粒度的钢球，可以对 孔壁有一定的熨压作用。 第四节旋涡气流光整加：f j i ：艺概述 各种扎表丽光整a i l j ：力法鄙仃定的适川范h 司，我们力求探寻 一种对其它工艺难以加工的孔能进行去除毛刺和降低表面粗糙度的 工艺方法。 一旋涡气流光整加工工艺 以流体作为传递介质，携带l ：作体_ l j l j 工外表面，在生产实践中 已有广泛应用。但以直线轨迹为特点的喷射加工，对内表面和交叉 孔却无能为力；本研究课题的重点是产生能紧贴内表面连续流动的 强力流动体，以流体的强大动力驱动工作体( 球形磨具或钢球) 对 内表面进行光整加工。 旋涡气流光整加工工艺是利丌】旋转的高速气流，将具有磨削( 或 滚压) 能力的球形磨具以高速旋转流动的形式，作用于加工表而， 实现对空心零件内表面光整加一i ：f i q 新工艺。工作介质通常采用球形 一 查璺型! ! ! ：! ! = ! ! ! ! ! 竺! ! 生兰篁堡兰 磨具、钢球，加工对象主要是零件的交叉孔和孔表面。 旋涡气流加丁的幕术堤。茜1 垃个可以户小高爪气体的气泵和一 个( 或一套) 可以使高压气体变为旋转气流的旋涡头。控制气流强 度，使用不同粒度的球形磨具或俐球，可以进行去除交叉孔的毛刺、 对交叉孔棱边倒圆、对孔表面进行仅限于表而微观不平度范围内的 加工、适度强化孔表面等一l ：作。 二工艺形态结构分析 应用制造工艺的形念结构川! 沦分析旋涡气流光整加工工艺。根 据上一节各利i 孑l 光整加工j ：艺j 侈念结构的分析，旋涡气流光整加工 工艺应为： 1 形态结构集合为 p l 参见表1 1 ， 2 物 ( 1 ) 钢球；一 ，p 3 2 tp 4 i ，p 5 5 ，p 6 i ，p 7 4 ，p 8 4 9 旋涡气流光整加工工艺形态结构分析 料状态分析( 可加：孔类型) ，表1 9 第2 行 材料：要根据不同一i j 什材料选择不同的磨具或用丁：强化的 般工件材料为淬硬钢、巾碳钢、铝、铜等，磨具的材料、 粒度和直径根据孔的加工要求以及其它相关条件选定。 ( 2 ) 横截面：加工多利一横械的孔，关键是能量流的传递介质 n 表 形态结构( 1 )分析 物料状态1 6 虑p 1 lq )材丰1 a ：横截而b ：纵截面c ：人小d ：k 径比 ( 参见表2 - 3 )1 2 , 3 , 4 ，5 1 ，2 341 ，2 ，3 ，4 ，5l ，2 , 3 ，4 e ：1 ，2 ，3 变化过程机械p 2 i ( 3 )塑性变形、( 毛刺) 脆性断裂 流程类型重晕不减少无屑( 钢球) 、微观切削( 去除) ：( 球形磨具) p 3 2 ( 3 ) 能量种类 机械p 4 l 传递介质气体p ( 4 )介质载体：旋涡7 t 流j ：作体：颗粒 传递方法相对i 耋动p 6 l 成4 方法自由成型p m 相对运动复合p h 加i ：效果分析( 5 )圆度融刚竖“线度表面粗糙度 毛刺表面硬化 ( 参见袭2 - 8 ) ooo aa a a 太原理1 人学坝l ：叫，e 生学位论文 ( 包括介质载体和工作体) 必须能到达孔壁的各处；有一定速度和 压力的旋转气流流束可以贴着管 转运动，气流的强度足够大 时，就可以推动一定形状( 蜘i 球j 侈) 的磨具贴着管壁随气流运动， 这样在高速旋涡气流的推动| 、，縻具就有可能实现对多种横截面孔 的光整加工。2 ， ( 3 ) 纵截面：旋涡气流光整加工使用的能量流传递介质是旋涡 气流，有一定压力和速度的气流i j 以达到无孔不入。无论多么复杂 的横截而任何刚性能景传递介j 炙无法到达f f j 地方，旋涡气流都可 以到达。在强大旋涡气流的推动f 具有光整加工能力的球形磨具 就可以实现对复杂纵截面的加l ：。 ( 4 ) 大小：旋涡气流光整加 ：使用的球形磨具的直径可以远小 于孔的直径( 1 5 以下) ，这样，f 11 气流流束同样远小于孔径时，旋 涡气流就可以推动单个球形腑j i 拒有充足滚动空问的孔内运动。t4 ， ( 5 ) 长径比：气流在流动t h 一边推动j j = f 具运动，一边又会遇 到孔壁上的毛刺、棱边等造成湍流的障碍物，这些都会造成能量损 失，以至于无法进一步推动臃具进行加：f ：，没备设汁和工艺参数的 选择中，必须使川耵i 应f 内力 ：，f 泶i i l ( 比帜加i ：的i 常进行，刁i 馊气 流在深孔处率减过大。r5 ， 3 变化过程、流程类型分析，参见表l - 9 第3 、4 行 旋涡气流光整加工工艺要求能够实现：只有极微量的切削作用 ( 仅限于表面微观不平度范川内) ，或对孔壁进行适度强化，属于微 量切削或无屑工艺。磨具对工件的作用力仅仅来自于磨具螺旋运动 受到的离心力推动力，这就决定了磨具的切削作用极小。( 6 ) 4 能量流一一传递介质分析，参见表l 一9 第6 行 本工艺使用的主体设备为气泵和旋涡头，气泵产生的高压低速 查堕些! 叁竺塑! ：! ! ! 壅竺兰些堕苎 气流经由旋涡头形成高速旋涡气流。作为能量的传递介质，旋涡气 流光整加工的核心就是旋涡e 流的产牛和流动；气流可以无孔不入， 而且成